Физики предложили искать темную материю с помощью детекторов гравитационных волн

Физики предложили новый метод обнаружения частиц легкой темной материи с помощью детекторов гравитационных волн. Ученые проанализировали данные, собранные немецкой гравитационной обсерваторией GEO600, но не нашли в них сигнала темной материи, установив таким образом более строгие ограничения на интенсивность ее взаимодействия с обычным веществом. Исследование опубликовано в Nature.

В лабораторных экспериментах на Земле до сих пор не удалось зарегистрировать частицы темной материи, но на ее существование указывают астрономические наблюдения. Из них следует, что на долю темной материи приходится около 80 процентов массы всего вещества во Вселенной, а во многих галактиках ее в сотни раз больше, чем барионной материи. Обычно считается, что темная материя состоит из массивных частиц, называемых вимпами (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle), которые участвуют только в слабых и гравитационных взаимодействиях с частицами Стандартной модели. В большинстве моделей масса вимпов лежит в диапазоне от нескольких гигаэлектронвольт до массы Планка (приблизительно 10¹⁹ гигаэлектронвольт). Существуют, однако, модели темной материи, в которой масса ее частиц очень мала.

Одной из таких моделей является дилатонная темная материя, частицы которой могут быть возмущениями полей дилатона или модулей, чье существование предсказывает Теория струн. Модели дилатонной темной материи утверждают, что ее частицы рождаются в ранней Вселенной, а в настоящее время представляют собой почти когерентно осциллирующее поле, частота осцилляций которого связана с массой частиц темной материи. Когерентность нарушается локальными возмущениями гравитационного потенциала, которые создают галактики и их скопления, но для темной материи, составляющей обычное галактическое гало, отношение разброса частот к самой частоте колебаний мало и равно приблизительно 10^-6.

Масса частиц дилатонной темной материи существенно меньше одного электронвольта (напомним, что масса электрона чуть больше 0,5 мегаэлектронвольта, а масса протона почти равна одному гигаэлектронвольту), а ее взаимодействие с полями Стандартной модели имеет очень специфический вид — в простейшем случае в уравнениях движения поле темной материи с определенными коэффициентами добавляется к массе электрона и обратному квадрату его заряда, превращая их из констант в переменные в пространстве-времени величины. От значения массы и заряда электрона зависят свойства атомов, а следовательно, и состоящих из них веществ. Изменение этих параметров ведет в частности к изменению показателя преломления и размера твердых тел, которые предположительно можно наблюдать экспериментально.

Группа физиков из Великобритании и Германии под руководством Хартмута Гроте (Hartmut Grote) из Университета Кардиффа предложила новый метод поиска частиц легкой темной материи с использованием детекторов гравитационных волн. Принцип действия этих детекторов следующий. Два перпендикулярных тоннеля, внутри которых поддерживается глубокий вакуум образуют плечи интерферометра. Длина плеч составляет от нескольких сот метров, как в GEO600, до нескольких километров, как в LIGO и Virgo. Лазерный луч расщепляется разделителем, имеющим форму тонкого цилиндра, распространяется по обоим туннелям, отражается от зеркал, подвешенных в их концах, и снова падает на разделитель, откуда затем попадает в детектор. Длины плеч интерферометра подобраны так, что два луча, соединяясь в разделителе, деструктивно интерферируют друг с другом, и освещенность детектора получается нулевой. Если же оптическая длина пути света внутри одного из тоннелей из-за прохождения через Землю сильной гравитационной волны меняется, то фаза соответствующего лазерного луча меняется вместе с ней, и детектор регистрирует свет.

Идея группы Гроте заключается в том, что из-за разного коэффициента отражения двух поверхностей разделяющего цилиндра, он взаимодействует с двумя лучами по-разному, и изменение размера цилиндра и коэффициента преломления света в нем из-за взаимодействия с полем легкой темной материи создает разницу в оптических длинах путей и без всяких гравитационных волн. Именно этот эффект физики и предложили искать. Для своего эксперимента они выбрали немецкий детектор гравитационных волн GEO600, так как он наиболее чувствителен к разнице в оптических длинах путей двух лучей. Для данного эксперимента эффект, связанный с изменением показателя преломления среды, оказался приблизительно на три порядка меньше, чем эффект, вызванный изменением размера разделяющего цилиндра, так что исследователи сосредоточились на последнем.

Ученые рассмотрели три типа дилатонной темной материи. Первый из них представляет собой простейший вариант, в котором темная материя взаимодействует только с электроном и фотоном. Во второй теории темная материя взаимодействует аналогичным образом еще и с глюонным, и с кварковыми полями. Третья модель во многом похожа на вторую, но взаимодействие темной материи с полями Стандартной модели в ней возникает через смешивание дилатона с полем бозона Хиггса. Проанализировав данные, собранные GEO600, физики не обнаружили темной материи, описываемой ни одной из трех теорий. Это, однако, позволило установить им более строгие ограничения на массы частиц темной материи и на величины констант связи, определяющих интенсивность ее взаимодействия с обычным веществом.

Результаты исследования закрыли теории дилатонной темной материи для величин обратных констант связи вплоть до 3 × 10¹⁹ гигаэлектронвольт в диапазоне масс частиц от 10^-13 до 10^-11 электронвольт. Эти ограничения в данном интервале масс более чем на шесть порядков величины более строгие, чем те, которые были получены в спектроскопических экспериментах, и на четыре порядка лучше, чем в проверках принципа эквивалентности.

Физики считают, что гравитационные обсерватории следующего поколения или интерферометры сравнимой чувствительности помогут существенно уточнить их результаты. Они также отмечают, что увеличения точности эксперимента можно добиться и на действующих установках с помощью модификации оптики. Для этого, например, можно на плечи интерферометра установить зеркала разной толщины, что вызовет разное изменение их оптических свойств в осциллирующем поле гипотетических частиц легкой темной материи.

Ранее мы писали о возможности использования в качестве детекторов темной материи экзопланет, Юпитера и нейтронных звезд.

Андрей Фельдман